[碩士論文精品]光纖光柵振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

武漢理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 光纖光柵振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 姓名：熊靖 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師：姜德生 20100501 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 日常生活中存在著復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，振動(dòng)狀態(tài)紛繁復(fù)雜。由于建筑物或 設(shè)備的異常振動(dòng)而造成的事故時(shí)有發(fā)生，常常會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)巨大的傷亡和損失， 倘若我們可以在事故發(fā)生之前就檢測(cè)到存在的危險(xiǎn)，并及時(shí)做出適當(dāng)?shù)姆乐未?施，就可以更好的保衛(wèi)我們的生命安全。因此，一套功能全面的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 迫在眉急，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高質(zhì)量的分析和測(cè)試，了解設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)的狀 態(tài)，得出它的一般規(guī)律，就可以通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的處理分析得出我們常見(jiàn)的設(shè) 備故障，以確保設(shè)備、工程的安全進(jìn)行，對(duì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)有重大的意義。 早在二十世紀(jì)初，就有研究者對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)試與研究。傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)多采用電磁類(lèi)加速度傳感器，它存在著較差的抗電磁干擾能力，較短的 信號(hào)傳輸距離，不易于遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多缺陷。隨著社會(huì)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)不斷 大型化，這使得這類(lèi)傳感器的缺陷日益突出，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足大型工程振動(dòng)監(jiān) 測(cè)的需要，極大的制約了振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。本課題是基于光纖b r a g g 光柵加 速度傳感器設(shè)計(jì)出一套振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光纖b r a g g 光柵加速度傳感器 將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)輸入到光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀上，對(duì)振動(dòng)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理， 使其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電荷放大器將其放大、濾波，再由采集器進(jìn)行采 集后輸入計(jì)算機(jī)，由我們自主研發(fā)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析、處理， 從中提取振動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)信息，如波形、頻譜、速度、加速度及位移等，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)物體振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。 該系統(tǒng)采用光纖b r a g g 光柵傳感器不僅克服了傳統(tǒng)傳感器抗電磁干擾差等 缺陷，而且它還具有電絕緣性很好：本質(zhì)安全、靈敏度高、響應(yīng)速度快等諸多 優(yōu)點(diǎn)。并且采用雙光柵匹配濾波解調(diào)技術(shù)，外界溫度的變化使兩光柵中心波長(zhǎng) 發(fā)生同向漂移，這樣便實(shí)現(xiàn)了溫度的自補(bǔ)償，兩根光柵同時(shí)參與傳感使靈敏度 也有了很大提高。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件是采用v i s u a l c + + 進(jìn)行編譯的， 利用了多線程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí) 域分析和頻域分析，得到振動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。 為我們提前做好預(yù)防工作打下了良好的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：光纖b r a g g 光柵，加速度傳感器，振動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集，時(shí)頻分析 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t n l ec o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m se x i s ti no u rd a i l yl i f e s ot h es t a t eo fv i b r a t i o ni s e x t r e m e l yc o m p l i c a t e d a b n o r m a lv i b r a t i o no ft h eb u i l d i n go re q u i p m e n to f t e nl e a d a c c i d e n ta n db r i n ge n o r m o u sc a s u a l t i e sa n dl o s s e st oh u m a nb e i n g s i fw ec a n e x a m i n et h ee x i s td a n g e rb e f o r et h ea c c i d e n to o c u ra n dm a k ea p p r o p r i a t ea n dt i m e l y p r o t e c t i o n , w ec a np r o t e c t o u rl i v e sb e t t e r t h e r e f o r e ，as e to fc o m p r e h e n s i v e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mc o m p e l si nt h ee y e b r o w t h r o u g hh i g h - q u a l i t ya n a l y s i s a n dt e s t i n gt ot h ev i b r a t i o ns i g n a l ，w ec a nl e a r na b o u tt h ec o n d i t i o no ft h e e q u i p m e n ts t n l c t u r ev i b r a t i o n , f r o mw h i c hw ec a nu n d e r s t a n ds o m ec o m m o n e q u i p m e n tf a i l u r e s t h u s ，w ec a ng u a r a n t e et h a tt h ee q u i p m e n tw o r k ss e c u r i t l y , w h i c h i sv e r ys i g n i f i c a n tt oo u re c o n o m i ca n ds o c i a l a se a r l ya st h eb e g i n n i n go ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , r e s e a r c h e r sh a v ec a r r i e do u t t e s t i n ga n dr e s e a r c ho fv i b r a t i o n 1 1 他t r a d i t i o n a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mu s e e l e c t r o m a g n e t i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r t h e r ei s l e s sr e s i s t a n c e t oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，a n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei ss os h o r tt h a ti t sn o te a s yt or e m o t e m o n i t o r i n g w i t ht h el a r g e - s c a l ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，i t sd y n a m i c sb e c o m em o r e a n dm o r ec o m p l e x ，a n dt h es h o r t c o m i n g so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sa r e i n c r e a s i n g l yo b v i o u s t h ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sa r ei n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e tt h e n e e d so fl a r g e s c a l ep r o j e c t sv i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t e st h el e v e lo f s a f e t ya s s e s s m e n to fv i b r a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s i nt h i st o p i c ，w ed e s i g nas e to f v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n ga c c e l e r o m e t e r i nt h es y s t e m ，f i b e rb r a g gg r a t i n ga c c e l e r o m e t e rw i l lb ef i x e dt ot h ev i b r a t i n go b j e c t r n l es e n s o rw i l lv i b r a t ew h e nt h eo b j e c tv i b r a t e ，a n dt h e nv i b r a t i o ns i g n a l sw i l lb e i n p u tt ot h ef i b e rg r a t i n gv i b r a t i o nd e m o d u l a t o r , w h i c hd e m o d u l a t et h eo p t i c a ls i g n a l a n dm a k ei tc o n v e r tt oe l e c t r i c a ls i g n a l a f t e rt h a t , t h ee l e c t r i c a ls i g n a lw i l lb e a m p l i f i e da n df i l t e r e db yc h a r g ea m p l i f i e r t h e nc o l l e c t o rw i l lc o l l e c t ei ta n dm p u ti t i n t ot h ec o m p u t e r o u ro w nv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs 0 1 a r ew i l la n a l y z ea n dp r o c e s s t h es i g n a l ，a n de x t r a c ti n f o r m a t i o na b o u tt h es t a t eo fv i b r a t i o n , s u c ha sw a v e f o r m , s p e c t r u m , s p e e d , a c c e l e r a t i o na n dd i s p l a c e m e n t , s oa st om o n i t o rt h ev i b r a t i o n c o n d i t i o ns u c c e s s f u l l y 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h es y s t e mu s e sf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s ，w h i c hi sn o to r d yt oo v e r c o m et h e d e f e c to ft r a d i t i o n a la n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dh a sm a n yo t h e ra d v a n t a g e s s u c h 鶴g o o de l e c t r i c a li n s u l a t i o n , i n t r i n s i c a l l ys a f e ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dr e s p o n s e s p e e d ，m e a s u r i n go b j e c tw i d e l ya n ds oo n a n di nt h i ss y s t e mw eu s ed o u b l e - g r a t 噸 m a t c h e df i l t e rd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e t h eo u t s i d et e m p e r a t u r ec h a n g e s ，w h i c hl e a d c e n t e rw a v e l e n g t ho ft h et w og r a t i n gd r i f ti n t h es a m ed i r e c t i o n a n dm a k e s e l f - c o m p e n s a t i o no ft e m p e r a t u r ep o s s i b l e t h et w og r a t i n gw h i c hi n v o l v e di n s e n s i n gg r e a t l yi m p r o v es e n s i t i v i t y t h es o f t w a r ef u n c t i o n so ft h es y s t e mi sa l s o e x t r e m e l yc o m p r e h e n s i v e t h r o u g ha n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a li nt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n , w ec a l lo b t a i nv i b r a t i o np a r a m e t e r s a n dw i t hv i s u a l c + + c o m p i l e r , w ec a na c h i e v eac o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n go fv i b r a t i o n w h i c hh a sl a i dag o o d f o u n d a t i o nf o ro u ra d v a n c e dp r e v e n t i o n k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g , a c c e l e r a t i o ns e n s o r , v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，d a t a c o l l e c t i o n , t i m e - f i e q u e n c ya n a l y s i s 1 i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一 同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō) 明并表示了謝意。 期：塑呈! ! ：矽 學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制 手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國(guó)家有 關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會(huì)公眾提供信息 服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：魚(yú)嗜 導(dǎo) i 日期礎(chǔ)j 心 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 本課題研究的目的及意義 在我們的日常生活與工作中，振動(dòng)是無(wú)處不在的，周?chē)母鞣N現(xiàn)象時(shí)常都 伴隨著振動(dòng)。如大型設(shè)備及建筑物的振動(dòng)，交通工具的振動(dòng)，儀器及儀表等設(shè) 備的振動(dòng)，以及自然環(huán)境造成的地震等自然現(xiàn)象的振動(dòng)，等等。這些振動(dòng)若發(fā) 生異常，則會(huì)給我們的生活造成意想不到的危害，極大地影響了我們的生命安 全。例如：大型機(jī)械設(shè)備使用不當(dāng)或使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的不良振動(dòng)，以至發(fā)生 許多嚴(yán)重的機(jī)械故障；許多空中事故也都是由于飛機(jī)的異常振動(dòng)引起的；橋梁 與房屋的振動(dòng)也存在安全隱患，可能危及我們?nèi)祟?lèi)的生命安全；汽車(chē)等交通工 具的振動(dòng)時(shí)常會(huì)讓人顛簸得頭暈惡心嘔吐，影響人們的身體健康；許多電器振 動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音，而這些噪音時(shí)常會(huì)影響我們的日常生活，給我們帶來(lái)不必要 的煩惱；最讓人恐懼的當(dāng)數(shù)如今時(shí)有發(fā)生的地震現(xiàn)象，它不僅會(huì)破壞我們生活 的家園，使我們失去親人，還嚴(yán)重危及我們的生命安全。 這些異常振動(dòng)給我們帶來(lái)的危害是令人瞠目的。全球第一大銅生產(chǎn)國(guó)智利， 在2 0 1 0 年2 月2 7 日凌晨，發(fā)生里氏八點(diǎn)八級(jí)特大地震，并引發(fā)海嘯襲擊太平洋沿 海國(guó)家。據(jù)估計(jì)，約兩百萬(wàn)人受到地震影響，一百五十萬(wàn)棟房屋坍塌。我國(guó)2 0 0 8 年發(fā)生的汶) h 5 1 2 事件也是血的事實(shí)，里氏八級(jí)地震使多少人流離失所，多少人 失去了至親，全國(guó)人民都陷入了無(wú)限的悲痛之中。直n 0 8 年9 月，政府已核實(shí)在 此次災(zāi)難中6 9 2 2 7 人遇難、3 7 4 6 4 3 人受傷、1 7 9 2 3 人失蹤。1 9 7 2 年日本海南電廠 中的一臺(tái)六十萬(wàn)千瓦的汽輪發(fā)電機(jī)組i l j ，在試用期間，因異常振動(dòng)致使整個(gè)機(jī)器 毀壞，聯(lián)軸節(jié)與汽輪機(jī)的葉片飛到廠房外數(shù)百米，使工作人員險(xiǎn)些受傷。這些由 振動(dòng)而造成的事故頻頻發(fā)生，常常會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)巨大的傷亡和損失，倘若我們 可以在事故發(fā)生之前就檢測(cè)到存在的危險(xiǎn)，并及時(shí)做出適當(dāng)?shù)姆乐未胧?，就?以避免災(zāi)難的發(fā)生，更好的保衛(wèi)我們的生命安全。 由此可見(jiàn)，若能了解設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)的狀態(tài)，得出它的一般規(guī)律，就可以通 過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析得出我們常見(jiàn)的設(shè)備故障。因此，一套功能全面的振動(dòng)監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)迫在眉急，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高質(zhì)量的分析和測(cè)試，以確保設(shè)備、工 程的安全進(jìn)行，避免振動(dòng)事故的發(fā)生，對(duì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)有重大的意義。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 早在二十世紀(jì)初，就有研究者對(duì)振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試與研究，傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)多采用電磁類(lèi)加速度傳感器，它存在著較差的抗電磁干擾能力，較短的信 號(hào)傳輸距離，等諸多缺陷。隨著社會(huì)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)規(guī)模越來(lái)越大，這種電 磁類(lèi)傳感器的缺陷日益突出，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足大型工程振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要，極大 的制約了振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。本課題是基于光纖b r a g g 光柵加速度傳感器設(shè)計(jì) 出的一套振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)光纖b r a g g 光柵加速度傳感器將振動(dòng)信號(hào)輸 入到光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀上，對(duì)振動(dòng)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，使其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然 后經(jīng)過(guò)電荷放大器將其放大、濾波，再由采集器進(jìn)行采集后輸入計(jì)算機(jī)，由我 們自主研發(fā)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析、處理，從中提取振動(dòng)狀態(tài)的相 關(guān)信息，如波形、頻譜、速度、加速度及位移等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)物體振動(dòng)狀 態(tài)的監(jiān)測(cè)。采用光纖b r a g g 光柵傳感器不僅克服了傳統(tǒng)傳感器抗電磁干擾差的缺 陷，而且它具有電絕緣性很好、本質(zhì)安全、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量對(duì)象 廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。正是由于它的這些優(yōu)勢(shì)其他類(lèi)型傳感器無(wú)法比擬，因而它勢(shì)必 將廣泛應(yīng)用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。 1 2 振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 2 1 振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀 二十世紀(jì)初，研究者們就開(kāi)始對(duì)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行探索研究。在他們不斷 的研究和實(shí)踐中，振動(dòng)測(cè)量技術(shù)逐漸走向成熟，傳感測(cè)量方法因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì) 也逐步發(fā)展起來(lái)。振動(dòng)測(cè)量主要是測(cè)量振動(dòng)的重要參數(shù)，如振幅、頻率、速度、 加速度及位移等動(dòng)態(tài)參數(shù)。將傳感器測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 接著進(jìn)行信號(hào)放大、濾波等處理工作，再將該信號(hào)進(jìn)行分析、顯示的整個(gè)過(guò)程 即為動(dòng)態(tài)測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)型2 】。 振動(dòng)測(cè)量技術(shù)隨著工程中對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求的與日俱增而不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出 大量高質(zhì)量的測(cè)量設(shè)備和先進(jìn)的測(cè)量方法。目前，振動(dòng)測(cè)量的方法主要包括機(jī) 械式、電氣式和光學(xué)式三類(lèi)。 ( 1 ) 機(jī)械式測(cè)量方法以杠桿原理為基礎(chǔ)，將測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)放大后直接記錄 下來(lái)。這種測(cè)量方法的抗干擾能力較強(qiáng)，但是測(cè)量的頻率范圍較窄，精度較低； 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 多用于測(cè)量低頻、大振幅振動(dòng)。 ( 2 ) 電氣式測(cè)量方法目前應(yīng)用較為廣泛，它是用電量測(cè)試儀來(lái)測(cè)量振動(dòng)信 號(hào)。這種測(cè)量方法靈敏度較高，但是難以抵抗電磁場(chǎng)的干擾，很難確保生產(chǎn)的 安全性。 ( 3 ) 光學(xué)式測(cè)量方法是采用光學(xué)傳感器，將振動(dòng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的 變化來(lái)測(cè)量。這種測(cè)量方法彌補(bǔ)了機(jī)械式測(cè)量方法和電氣式測(cè)量方法的缺陷， 具有測(cè)量精度高、頻帶寬，響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離測(cè)量等諸多優(yōu) 點(diǎn)。 二十世紀(jì)二十年代，大型機(jī)械設(shè)備的迅速發(fā)展使得機(jī)械式測(cè)振儀已經(jīng)無(wú)法 滿(mǎn)足要求了，于是研究者們開(kāi)始研究將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量的方法， 這樣就研究出磁電式傳感器。二次大戰(zhàn)結(jié)束后，研究者們又研究出體積小、測(cè) 量頻率寬、動(dòng)態(tài)量程大的壓電式傳感器，直到現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用于在許多工程項(xiàng) 目中【3 】。近些年來(lái)，微電子技術(shù)大力發(fā)展，為使振動(dòng)測(cè)量可在各種惡劣的環(huán)境下 進(jìn)行，又出現(xiàn)了集成電路式壓電傳感器、變電容傳感器以及電渦流傳感器，提 高了測(cè)量精度和抗干擾能力。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，為了利用其抗干擾能 力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、靈敏度高的特點(diǎn)，研究者們又投入到光學(xué)式振動(dòng)測(cè)量方法 的研究中。 信號(hào)的探測(cè)、采集和分析是振動(dòng)測(cè)量的核心。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使信 息處理技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的提高，數(shù)據(jù)的采集和處理技術(shù)已逐步走向成熟。但 是目前在工程中應(yīng)用較多的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)主要還是基于傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)量方 法，絕大多數(shù)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)都是采用的電磁類(lèi)傳感器，其靈敏度較低、測(cè)量距 離短、抗干擾能力差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求，極大地制約了振動(dòng)測(cè)量 領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面問(wèn)： ( 1 ) 傳統(tǒng)傳感器的有效輸出是由部分被測(cè)能量組成的，這使得傳感器的輸 出能量較小、內(nèi)阻較高且靈敏度很低。 ( 2 ) 有的傳感器在使用之前需要先將其調(diào)零，這使得傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 降低。 ( 3 ) 傳統(tǒng)傳感器的抗干擾能力都不太可觀，對(duì)常見(jiàn)的隨機(jī)干擾波都無(wú)法起 到屏蔽或抑制的作用，并且測(cè)量頻率范圍較窄。 ( 4 ) 傳統(tǒng)傳感器不能實(shí)現(xiàn)測(cè)量的智能化。 因此，采用新型振動(dòng)傳感器來(lái)改善現(xiàn)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的缺陷是振動(dòng)測(cè)量 技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展以及工程應(yīng)用中對(duì)高精度測(cè)量技術(shù) 的需求，使得研制高性能的振動(dòng)傳感器來(lái)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量成為必然。光纖 傳感技術(shù)的出現(xiàn)使傳感器領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外研究者們已經(jīng) 成功研制出了很多光纖振動(dòng)傳感器，克服了傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器的諸多缺陷，具有 測(cè)量精度高、范圍廣、抗電磁干擾能力強(qiáng)、適合各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，受到了 業(yè)內(nèi)人士的廣泛重視。 1 2 2 光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開(kāi)始在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光纖光柵傳 感技術(shù)的研究。光纖光柵傳感器不僅具有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還擁有其自身獨(dú) 特的優(yōu)勢(shì)。其中，傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制型是光纖光柵傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。 這種傳感機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于：光源的起伏、光纖彎曲耗損、光纖連接耗損以及探 測(cè)器老化等因素都不會(huì)影響振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量：不像其它干涉型傳感器，它相位 測(cè)量清晰并可以不需要固有參考點(diǎn)；便于采用波分復(fù)用的方式，通過(guò)在一根光 纖中串連多個(gè)b r a g g 光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。此外，在材料中很容易埋入光纖光 柵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部的溫度及應(yīng)變進(jìn)行高分辨率的、大范圍的測(cè)量。就在1 9 8 9 年，m o r e y 第一次將光纖光柵用于傳感并將其報(bào)道【5 】，在當(dāng)時(shí)引起了世界范圍內(nèi) 研究者的關(guān)注，人們也開(kāi)始越來(lái)越重視光纖光柵傳感器的研究并將其應(yīng)用與各 個(gè)領(lǐng)域。 近年來(lái)，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)的研究中發(fā)現(xiàn)，從振動(dòng)加速度信號(hào)中可以提取出振 動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)如速度、位移等，有效的反應(yīng)的振動(dòng)的狀態(tài)。因此，人們?cè)?振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域的探索方向逐漸轉(zhuǎn)向光纖光柵加速度傳感器。在國(guó)外，研究者們 視光纖光柵加速度傳感器為寵兒，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。a d 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 k e r s e y n - - t 1 9 9 2 年首次將光纖b r a g g 光柵和非平衡m a t h z e h n d e r 干涉儀結(jié)合， 來(lái)測(cè)量振動(dòng)現(xiàn)象，得到相當(dāng)高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變靈敏度；t o d d 在1 9 9 8 年將兩個(gè)矩形梁 與一個(gè)質(zhì)量塊組合在一起，用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器，研制出光纖光柵加速度計(jì)【7 】， 利用點(diǎn)接觸將質(zhì)量塊焊接在兩平行梁之間，在第二個(gè)矩形梁底部粘貼上f b g 。傳 感器接收到振動(dòng)信號(hào)后，質(zhì)量塊由于慣性也隨之振動(dòng)，兩個(gè)矩形梁在質(zhì)量塊的 帶動(dòng)下發(fā)生振動(dòng)并引起應(yīng)變，從而引起f b g 波長(zhǎng)變化。這樣的例子不勝枚舉! 在我國(guó)，國(guó)家大力支持光纖光柵傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用，設(shè)立各種國(guó)家基 金，如國(guó)家自然基金、8 6 3 計(jì)劃等，其他部委專(zhuān)項(xiàng)基金也加以資助，光纖光柵傳 感技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展【3 j 。 1 9 9 6 年，清華大學(xué)在研究f b g 特性時(shí)，就提出了光纖光柵加速度計(jì)的設(shè)計(jì)思 路；南開(kāi)大學(xué)為實(shí)現(xiàn)f b g 加速度測(cè)量付出了很多努力，研究出采用寬帶光源解調(diào) 和光纖增敏光信號(hào)解調(diào)等解調(diào)方法；重慶大學(xué)提出了f b g 與非本征f p 干涉復(fù)用 的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合非平衡m - z 干涉技術(shù)具體研究了分布式加速度的測(cè)量，這也是不 斷探究f b g 加速度傳感器的成果；北京科技大學(xué)的鞏憲鋒等人利用碳纖維懸臂梁 代替彈簧，將它的一端固定在基座上并在另一端上放置質(zhì)量塊，在懸臂梁的固 定端旁邊貼上f b g ，測(cè)量時(shí)將傳感器與振動(dòng)源固定，傳感器隨著振動(dòng)源振動(dòng)，致 使傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊發(fā)生振動(dòng)，拉升和擠壓光纖光柵，從而引起b r a g g 光柵波長(zhǎng) 的變化，根據(jù)b r a g g 光柵波長(zhǎng)的變化來(lái)測(cè)量振動(dòng)狀態(tài)。在光纖光柵傳感理論方面， 清華大學(xué)、吉林大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所等深入研究光纖的光敏性、 成柵機(jī)理、光波傳輸規(guī)律等問(wèn)題；在光纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)方面，武漢理工 大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、重慶大學(xué)以及深圳朗科公司、上海紫珊公司等單位都各有創(chuàng) 新，各具特色。 二十年來(lái)，武漢理工大學(xué)光纖研究中心在光纖傳感技術(shù)方面做了大量的研 究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，成為光纖傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)基地和光纖傳感與 信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。波長(zhǎng)解調(diào)器是光纖研究中心自主研發(fā)的光纖傳感 關(guān)鍵技術(shù)：光纖研究中心還探索出一套適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域和不同傳感信息的 光纖b r a g g 光柵封裝方法；并成功地利用光纖傳感技術(shù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)武漢長(zhǎng)江二橋和 武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)健康，探測(cè)鎮(zhèn)海煉化、廣州石化、金陵石化、武漢石 化、國(guó)家石油儲(chǔ)備油庫(kù)等國(guó)家大型石化行業(yè)儲(chǔ)油罐區(qū)的火災(zāi)情況，以及滬蓉西 隧道和陜西終南山隧道等大型隧道的火災(zāi)情況。大力應(yīng)用和推廣了光纖傳感技 術(shù)。 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn) 本文的主要工作就是基于光纖b r a g g 光柵加速度傳感器設(shè)計(jì)出一套振動(dòng)監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光纖b r a g g 光柵加速度傳感器從振動(dòng)信號(hào)中提取有關(guān)信息， 該振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)、預(yù)處理后，被采集輸入到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)本文自主研發(fā) 的振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)其進(jìn)行分析、處理及顯示，從而得到我們所需要的振動(dòng)重要 參數(shù)。本文的主要安排如下： 第一章，首先介紹了本課題研究的目的和意義，接著介紹了該課題研究的 內(nèi)容在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。 第二章，主要對(duì)光纖光柵振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行介紹。首先介紹了 目前存在的幾種振動(dòng)傳感器以及它們的不足，從而引出本文所使用的光纖b r a g g 光柵傳感器；接著介紹了本系統(tǒng)中光纖光柵解調(diào)法，以及振動(dòng)信號(hào)采集方法， 信號(hào)預(yù)處理技術(shù)、振動(dòng)信號(hào)的重要參數(shù)及分析方法。 第三章，主要講述光纖光柵振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。首先介紹 軟件開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言以及軟件程序中使用到的主要技術(shù)；然后對(duì)軟件體系的總體結(jié) 構(gòu)和功能進(jìn)行了介紹；接著對(duì)軟件中實(shí)現(xiàn)的功能如啟動(dòng)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù) 采集、波形及頻譜顯示，重要參數(shù)計(jì)算、靜態(tài)歷史數(shù)據(jù)顯示等進(jìn)行逐一講解。 第四章，主要介紹在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試，并對(duì)該系統(tǒng)在武鋼 水泵中的應(yīng)用做了介紹。 第五章，對(duì)本文所研究的系統(tǒng)做出總結(jié)，并對(duì)下一步的發(fā)展研究進(jìn)行了展望。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 國(guó)內(nèi)外的研究者們還是初步研究高頻響應(yīng)光纖光柵加速度傳感器，將光 纖光柵加速度傳感器應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)量還是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。 ( 2 ) 采用雙光柵匹配濾波解調(diào)技術(shù)，外界溫度的變化使兩光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生 同向漂移，實(shí)現(xiàn)了溫度的自補(bǔ)償，兩根光柵同時(shí)參與傳感使靈敏度有了很大提 高。 ( 3 ) 在軟件中采用多線程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，并構(gòu)造快 速傅立葉變換算法的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，便于日 后對(duì)此算法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。該軟件通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析處理實(shí)現(xiàn) 對(duì)振動(dòng)信號(hào)重要參數(shù)如波形、頻譜、速度、加速度及位移等的全面監(jiān)測(cè)。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章光纖光柵振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 本章主要對(duì)光纖光柵振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行研究。介紹了光纖b r a g g 光柵傳感器的優(yōu)勢(shì)，并提出了本系統(tǒng)所使用的光纖b r a g g 光柵加速度傳感器，以 及雙光柵匹配濾波解調(diào)法，還對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)用的振動(dòng)信號(hào)采集方法，信號(hào)預(yù)處理 技術(shù)、振動(dòng)信號(hào)的重要參數(shù)和處理方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。 2 1 振動(dòng)傳感器概述 2 1 1 振動(dòng)傳惑器簡(jiǎn)介 隨著振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量高質(zhì)量的測(cè)量設(shè)備和先進(jìn)的測(cè) 量方法。目前主要使用的振動(dòng)傳感器包括機(jī)械式測(cè)振儀、電氣式傳感器和光纖 振動(dòng)傳感器三類(lèi)【9 】。 ( 1 ) 機(jī)械式測(cè)振儀：早期測(cè)量振動(dòng)主要采用記錄式機(jī)械振動(dòng)表，現(xiàn)在有少數(shù) 工程現(xiàn)場(chǎng)仍在使用千分表式機(jī)械振動(dòng)表。這類(lèi)測(cè)振儀讀數(shù)不是很方便、精度較 低并且振動(dòng)信號(hào)不能傳送，因此已將近淘汰。 ( 2 ) 電動(dòng)式傳感器：按照工作原理的不同，電動(dòng)式傳感器可分為電容型、電 感型、速度型、加速度型、電渦流型等【l o 】。但是由于電容型和電感型傳感器極 易受到周?chē)橘|(zhì)的影響，因此目前幾乎沒(méi)有使用。下面對(duì)這幾種類(lèi)型簡(jiǎn)單介紹 如下： 電容式傳感器：電容式傳感器可進(jìn)行非接觸測(cè)量，主要用于測(cè)量振動(dòng)、 位移、壓力等，操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，但是對(duì)污染的抵抗能力非常 j r 上 z 土二o 速度傳感器：它的輸出可以反應(yīng)被測(cè)物體的振動(dòng)速度。這種傳感器非常 便于測(cè)量，在l o 1 0 0 0 h z 頻率范圍內(nèi)，測(cè)量振動(dòng)位移或振動(dòng)速度是非常理想的 選擇。 壓電式傳感器：在振動(dòng)測(cè)量中使用得較為廣泛的壓電式傳感器主要是壓 電式加速度計(jì)。它是利用壓電陶瓷或壓電石英晶體作為敏感元件來(lái)進(jìn)行測(cè)量的， 具有體積小、測(cè)量頻率范圍寬、可用于高頻振動(dòng)的測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但是不適用于 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 測(cè)量低頻振動(dòng)位移。 應(yīng)變式加速度傳感器：它主要是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片或金屬絲應(yīng)變片作為 敏感元件來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的。這種傳感器重量輕、體積小、輸出阻抗低， 適用于橋梁、建筑物及交通工具等振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。 電渦流式傳感器：根據(jù)工作原理的不同，可將其劃分為高頻反射型和低 頻透射型。它也可以進(jìn)行非接觸測(cè)量，并且結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、靈敏度較高、抗干 擾能力強(qiáng)。在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 ( 3 ) 光纖振動(dòng)傳感器：這種傳感器采用光學(xué)式傳感原理，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成 光信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，它彌補(bǔ)了機(jī)械式和電氣式傳感器的諸多缺陷，測(cè)量頻率范 圍廣、精度高，并且具有良好的抗干擾能力，在下一節(jié)中我們將進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2 1 2 光纖光柵傳感器 光纖傳感器較之傳統(tǒng)的機(jī)械式、電動(dòng)式傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)【9 】： ( 1 ) 具有良好的抗電磁干擾能力。由于光波的頻率比常見(jiàn)的電磁輻射的頻率 要高得多，因此在光纖傳感器中的光信號(hào)不會(huì)受到電磁波的干擾。 ( 2 ) 具有良好的電絕緣性能，因此非常安全、可靠。光纖是由石英構(gòu)成的， 不需要電源驅(qū)動(dòng)，因此在油、氣等易燃易爆的化工生產(chǎn)中使用也非常安全。 ( 3 ) 測(cè)量范圍非常廣，測(cè)量頻帶寬、靈敏度高。 ( 4 ) 重量輕、體積小，并可以根據(jù)工程應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)其幾何形狀結(jié)構(gòu)。 ( 5 ) 在傳輸時(shí)的損耗很小，因此可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。 ( 6 ) 傳輸容量相當(dāng)大，因此可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)式分布測(cè)量。 ( 7 ) 不易受到腐蝕，化學(xué)性能非常穩(wěn)定。由于光纖是由石英構(gòu)成的，其化學(xué) 性質(zhì)分成穩(wěn)定，因此各種惡劣的環(huán)境都不影響光纖傳感器的使用。 隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開(kāi)始在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光纖光柵傳 感技術(shù)的研究。光纖光柵傳感器不僅具有以上介紹的光纖傳感器的這些優(yōu)點(diǎn)， 還擁有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，傳感信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制型是光纖光柵傳感器最 突出的優(yōu)點(diǎn)之一。這種傳感機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于：光源的起伏、光纖彎曲耗損、光 纖連接耗損以及探測(cè)器老化等因素都不會(huì)影響振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量：不像其它干涉 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 型傳感器，它相位測(cè)量清晰并可以不需要固有參考點(diǎn)；便于采用波分復(fù)用的方 式，通過(guò)在一根光纖中串連多個(gè)b r a g g 光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。此外，在材料中 很容易埋入光纖光柵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部的溫度及應(yīng)變進(jìn)行高分辨率的、大范 圍的測(cè)量。因此，本文采用光纖b r a g g 光柵加速度傳感器來(lái)設(shè)計(jì)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，有效克服傳統(tǒng)傳感器所存在的不足，提高了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、抗干 擾能力以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)雀鞣矫娴男阅?。通過(guò)從振動(dòng)加速度信號(hào)中提取振動(dòng)狀 態(tài)的相關(guān)信息如速度、位移等，有效的反應(yīng)的振動(dòng)的各個(gè)狀態(tài)。 2 2 光纖b r a g g 光柵加速度傳感器概述 2 2 1 光纖b r a g g 光柵加速度傳感器基本原理 光纖材料具有光敏性，即當(dāng)外界光源入射時(shí)，光纖纖芯內(nèi)的鍺離子會(huì)與入射 光子相互作用，使折射率發(fā)生永久性變化，空間相位光柵就會(huì)在纖芯內(nèi)部形成， 起著窄帶透射、反射濾波鏡或反射鏡的作用，許多性能獨(dú)特的光纖無(wú)源器件就 是利用這一特性構(gòu)成的【1 1 1 。光纖b r a g g 光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率 會(huì)影響光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)，而光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射 率又會(huì)受到外界溫度或應(yīng)變變化的影響，因此光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的 變化會(huì)受到外界溫度或應(yīng)變的影響，光纖b r a g g 光柵傳感器就是這樣運(yùn)行的。 當(dāng)光纖b r a g g 光柵有寬帶光源入射時(shí)，折射率會(huì)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生折射、 透射或反射，其中符合下式，即布喇格條件： 如= 2 n 萬(wàn)x a( 2 一1 ) 則會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，厶光柵反射波長(zhǎng)，o 一有效折射率，人一光柵周期。 光纖b r a g g 光柵傳感器就是以此為基礎(chǔ)的。我們?cè)谠O(shè)計(jì)光纖b r a g g 光柵加速 度傳感器時(shí)，就是采用這個(gè)原理來(lái)間接測(cè)量加速度的。在設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)時(shí) 巧妙利用彈性元件，使其產(chǎn)生受力并引起光纖光柵的應(yīng)變，把加速度量轉(zhuǎn)化 b r a g g 光柵的應(yīng)變量，進(jìn)而演變b r a g g 波長(zhǎng)變化，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化來(lái)測(cè)量加 速度。 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 光纖b r a g g 光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu) 以光纖b r a g g 光柵的振動(dòng)傳感特性為基礎(chǔ) 1 2 , 1 3 l ，根據(jù)以上分析，我們采用如 下結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，由于鋼管的彈性模量比較適中，故彈性元件以鋼管為材 料。而質(zhì)量振子需要密度較大的材料，考慮到銅密度大，故質(zhì)量塊以銅為材料。 傳統(tǒng)光纖傳感器易發(fā)生溫度漂移，并產(chǎn)生橫向干擾，靈敏度也不高。為了克服 這些問(wèn)題，我們?cè)谠摻Y(jié)構(gòu)中采用雙光柵，也就是以質(zhì)量振子為中心，在其上下 距離相等的位置裝上兩個(gè)中心波長(zhǎng)相近的b r a g g 光柵，波段為1 3 0 2 n m 。 圖2 一l 光纖b r a g g 光柵加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 在該傳感器結(jié)構(gòu)中，首先將f b g l 與f b g 2 串聯(lián)焊接，然后用環(huán)氧型粘合劑 剛性粘貼在鋼管內(nèi)，再將質(zhì)量塊穿過(guò)鋼管，并采用激光焊接技術(shù)將質(zhì)量塊固定 在鋼管上兩個(gè)光柵的正中心，這樣鋼管、質(zhì)量塊和兩個(gè)b r a g g 光柵就構(gòu)成了整個(gè) 傳感器的彈性系統(tǒng)【1 4 j 。 當(dāng)待測(cè)物振動(dòng)時(shí)，固定在其上的傳感器也隨之發(fā)生振動(dòng)，傳感器內(nèi)彈性系統(tǒng) 做受迫振動(dòng)，使質(zhì)量塊上下移動(dòng)，其上下兩側(cè)分別產(chǎn)生相反的應(yīng)變，致使粘貼 在質(zhì)量塊上下兩側(cè)的b r a g g 光柵波長(zhǎng)發(fā)生互為反向的漂移。兩個(gè)b r a g g 光柵的反 射譜會(huì)交疊在一起，其包絡(luò)面積的發(fā)生變化從而導(dǎo)致總反射光強(qiáng)度發(fā)生變化， 物體振動(dòng)加速度變化與總反射光強(qiáng)度變化規(guī)律一致。光信號(hào)輸出后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后，在電腦上通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后即可得到被測(cè)物體振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。 2 3 光纖光柵解調(diào)技術(shù) 2 3 1 常用的解調(diào)方法 ( 1 ) 直接解調(diào)法 f b g 3 t _ r d 一 圖2 - 2 光譜儀檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng) 運(yùn)用光譜儀、單色儀或波長(zhǎng)計(jì)來(lái)檢測(cè)波長(zhǎng)是光纖光柵解調(diào)最直接的方法【1 5 1 。 但由于這些儀器都存在價(jià)格高、體積大、不易攜帶等缺陷，因此多用于實(shí)驗(yàn)室。 并且光的波長(zhǎng)是直接顯示在光譜儀上的，通過(guò)這個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)變化我們就可 以得到被測(cè)物量的相關(guān)參數(shù)。但是目前光纖光柵傳感器的應(yīng)用發(fā)展對(duì)測(cè)量的分 辨率有較高要求，而傳統(tǒng)的光譜儀很難滿(mǎn)足其需求。對(duì)于高分辨率光譜分析儀， 雖然其分辨率能夠達(dá)到要求，但價(jià)格相當(dāng)高，體積也相當(dāng)大，不適合工程應(yīng)用。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們不大可能用這類(lèi)光譜儀來(lái)測(cè)量光纖光柵的波長(zhǎng)。還 有一個(gè)很大的原因是，它無(wú)法直接輸出與波長(zhǎng)變化相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。這非常不 利于我們記錄、存儲(chǔ)和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 匹配濾波解調(diào) 按照光纖光柵的分布，匹配濾波法可劃分為單點(diǎn)匹配解調(diào)和多點(diǎn)匹配解調(diào)。 單點(diǎn)匹配解調(diào)是以反射式為基礎(chǔ)，而多點(diǎn)匹配解調(diào)是以透射式為基礎(chǔ)。 匹配濾波法的工作原理就是指使用兩個(gè)光纖光柵，其中一個(gè)是測(cè)量，另一 個(gè)作為參考光柵。驅(qū)動(dòng)元件發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以使參考光柵與測(cè)量光柵的波長(zhǎng) 變化一致，被測(cè)物的應(yīng)力或溫度就可以通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)獲得，這樣我們就 可以利用參考光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感光柵的解調(diào)了。圖2 3 即為光纖光柵匹配濾波解 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 調(diào)原理圖。 藕合器傳蓐f i r ； 圖2 - 3 匹配光柵濾波解調(diào)示意圖 反射型解調(diào)是當(dāng)入射光照射在被測(cè)f b g 上時(shí)，發(fā)生反射現(xiàn)象，其反射光經(jīng) 過(guò)參考光柵后再次發(fā)生反射，若這兩束反射光波長(zhǎng)相同，探測(cè)器就會(huì)接收到這 兩束光并將其輸出，根據(jù)此時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可以測(cè)得我們所需要的振動(dòng)參數(shù)。 因此d a v i s 等人對(duì)透射型解調(diào)法進(jìn)行了研究。透射型不同于反射型，它的光電探 測(cè)器不是用來(lái)接收反射光，相反是用來(lái)接收透射光，通過(guò)透射光的情況來(lái)判斷 光柵的匹配情況，這樣就避免了測(cè)量微弱的光強(qiáng)信號(hào)【1 6 1 。 匹配濾波法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高且信噪比高等。但由于光 路中使用的禍合器較多，造成系統(tǒng)的光損耗增大，并且傳感光柵的測(cè)量范圍受 到參考光柵應(yīng)變量的限制，驅(qū)動(dòng)元件的響應(yīng)速度也時(shí)常無(wú)法滿(mǎn)足我們的需求。 ( 3 ) 可調(diào)諧法布里一珀羅腔法 可調(diào)諧法布里珀羅腔( f p 腔) 法不同于匹配濾波法，它用可調(diào)諧法布 里珀羅腔代替參考光柵。與光纖光柵工作譜區(qū)相比，f p 腔的自由光譜范圍 較大，可保證總能檢測(cè)到光纖光柵的反射信號(hào)【1 7 , 1 s l 。 ，一尸腔起著窄帶濾波器的作用。當(dāng)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平行光入射到f p 腔時(shí)，某些滿(mǎn)足相干條件的光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。f b g 傳感器就是利用f 一尸腔 的這個(gè)特性來(lái)檢測(cè)反射波長(zhǎng)的。其工作原理如圖2 4 。 光由寬帶光源發(fā)出，經(jīng)隔離器入射到f b g 后發(fā)生反射，該反射光經(jīng)耦合器 照射到可調(diào)諧f p 腔上，可調(diào)諧f 一尸腔利用鋸齒波掃描電壓，并調(diào)整壓電元 件腔間隔，掃描一定范圍內(nèi)的窄通帶。當(dāng)f b g 的反射波長(zhǎng)與可調(diào)諧f p 腔的 透射波長(zhǎng)相匹配時(shí)，f b g 反射的信號(hào)即可通過(guò)，探測(cè)器上顯示的就是最大光強(qiáng)。 因此光纖光柵反射峰位置可由可調(diào)諧f 一尸腔驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)倒1 9 1 。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種解調(diào)方法操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、光能利用率高、f 一尸腔調(diào)諧范圍寬并 且系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，因此在工程應(yīng)用中使用較為廣泛，但若要求精細(xì)度高則價(jià) 格也較昂貴并且濾波損耗也較大。故使用這種解調(diào)方法的關(guān)鍵就是在保證精度 的前提下，采用某些技術(shù)來(lái)降低系統(tǒng)成本。 圖2 - 4 可調(diào)諧f p 腔解調(diào)原理圖 2 3 2 本系統(tǒng)的解調(diào)方法 信號(hào)的解調(diào)是振動(dòng)傳感系統(tǒng)的核心部分，傳感系統(tǒng)檢測(cè)性能的好壞與選擇 的解調(diào)方法息息相關(guān)。因此選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行解調(diào)是至關(guān)重要的。為此我們 做了大量研究，最終決定使用雙光柵匹配濾波解調(diào)技術(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)。這 種解調(diào)方法與之前介紹的匹配濾波法類(lèi)似。不同的是本系統(tǒng)中的兩根f b g 都是 作為傳感光柵，若其中一根光柵被壓縮則另一根光柵被拉長(zhǎng)，這使測(cè)量靈敏度 有了很大提高。若外界溫度發(fā)生變化，傳感探頭內(nèi)的兩根f b g 光柵中心波長(zhǎng)就 會(huì)發(fā)生漂移，這種同向同步的漂移使溫度的自補(bǔ)償成為現(xiàn)實(shí)，并使溫度與應(yīng)變 之間避免了交叉敏感。下面我們來(lái)對(duì)這種實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行推導(dǎo)。下圖為光纖光柵 加速度傳感器的光學(xué)原理圖。 圖2 5f b g 加速度傳感器的光學(xué)原理圖 光由l e d 寬帶光源發(fā)出后經(jīng)過(guò)耦合器，入射到傳感器中經(jīng)過(guò)兩個(gè)光纖光柵 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 并都發(fā)生反射現(xiàn)象，反射光再次經(jīng)過(guò)耦合器后由光電轉(zhuǎn)換器接收。由高斯函數(shù) 得到船g l 的反射譜為 2 0 1 ： 4 k 2 9 t - & ) 2 ( 名) = r l p 砰 ( 2 2 ) 式中墨是峰值反射率，矗和4 分別是船g 1 的中心波長(zhǎng)和半峰值處帶寬，由 高斯函數(shù)得到舟g 2 的反射譜為： - 4 h 2 蟬 匕( 五) = r 2 p 砰 ( 2 - 3 ) 式中r 是峰值反射率，如和磊分別是是椰f g 2 的中心波長(zhǎng)和半峰值處帶寬。 設(shè)l e d , 入射光光功率為每納米4 厶，當(dāng)光經(jīng)過(guò)3 d b 耦合器后，入射到f b g l 上 的光分成兩束，其中一束光經(jīng)反射后再次通過(guò)3 d b 耦合器并被光電轉(zhuǎn)換器接收， 設(shè)暑為這束光的強(qiáng)度，則有： 吧 p l = ii o